وقتی باکتری‌ها به کارخانه تولید تار عنکبوت تبدیل می‌شوند!

پژوهشگران «دانشگاه علم و فناوری هنگ کنگ» سعی دارند با تولید تار عنکبوت توسط باکتری‌ها، آن را به یک شگفتی زیست‌پزشکی تبدیل کنند که نویدبخش نوآوری در تولید فیبر نوری، بهبود زخم و ترمیم بافت‌های بدن است.

کد خبر: ۶۶۷۳۳۳

تاریخ: ۰۵ آذر ۱۴۰۲ - ۱۵:۲۴

به گزارش ایران اکونومیست و به نقل از ادونسد ساینس نیوز، ابریشم‌کاران برای قرن‌ها پادشاهی می‌کردند زیرا نخ‌هایی که از کرم‌های ابریشم ساخته می‌شدند، حسادت جهان باستان را برمی‌انگیختند. در دوران جدید، تار عنکبوت به دلیل ویژگی‌های فیزیکی شگفت‌انگیزش، به ماده‌ای برای حسادت کردن تبدیل شده زیرا یک ترکیب قابل توجه از قدرت و انعطاف‌پذیری است.

«فی سان»(Fei Sun) پژوهشگر «دانشگاه علم و فناوری هنگ کنگ»(HKUST) گفت: متأسفانه، تکرار فرآیند تولید تار عنکبوت در مقیاس بزرگ که شبیه به مزارع تاریخی کرم ابریشم است، به این زودی‌ها محقق نخواهد شد. من فکر نمی‌کنم تولید انبوه تار عنکبوت، واقع‌بینانه باشد و باور دارم که مقیاس‌پذیری هنوز یک مسئله بزرگ است.

به گفته سان، پرورش عنکبوت در مزارع به دلیل ماهیت تهاجمی و هم‌نوع‌خواری عنکبوت‌ها غیرممکن است. با وجود این، پیشرفت‌های صورت‌گرفته در زیست‌شناسی مصنوعی به پژوهشگرانی مانند سان امکان می‌دهند تا تار عنکبوت را برای مصارف زیست‌پزشکی که نیازی به تولید در مقیاس بزرگ ندارند، تطبیق دهند.

سان و همکارانش روش جدیدی را برای تولید پروتئین‌های تار عنکبوت در باکتری‌ها توصیف کرده‌اند. فرآیند پیشنهادی آنها نه تنها کارآمد است، بلکه به آنها امکان می‌دهد تا نخ‌ها را به مولکول‌های گوناگونی مجهز کنند که ویژگی‌های طبیعی تار عنکبوت را تقویت می‌کند یا حتی با بافت‌های زنده در تعامل قرار می‌گیرد.

شبکه‌ای از روش‌های جدید

این گروه پژوهشی برای ایجاد «تار عنکبوت قابل تنظیم»، دو فناوری ژنتیکی و شیمیایی را با هم ترکیب کردند. اولین مورد یک روش زیست‌شناسی مصنوعی موسوم به «DNA نوترکیب»(Recombinant DNA) است که به پژوهشگران امکان می‌دهد تا ژن‌های ویژه را جداسازی و اصلاح کنند و حتی آنها را با ژنوم یک گونه دیگر ترکیب کنند.

سان با این روش توانست ژن‌های تار عنکبوت را به باکتری «اشریشیا کلی» انتقال دهد و سلول‌های باکتری را به کارخانه‌های تولید پروتئین تار عنکبوت تبدیل کند.

در مرحله بعد، گروه از روش نسبتا جدیدی در زمینه شیمی مصنوعی به نام «شیمی کلیک»(click chemistry) استفاده کردند. شیمی کلیک به طور خلاصه، روشی برای اتصال مؤثر مولکول‌های پروتئین است که به چیدن قطعات لگو شباهت دارد.

این گروه پژوهشی از روش شیمی کلیک برای افزودن یک برچسب ژنتیکی به پروتئین تار عنکبوت استفاده کردند که به عنوان نقطه اتصال برای سایر مولکول‌های مورد نظر عمل می‌کند. این کار، تار عنکبوت معمولی را به یک چارچوب تبدیل می‌کند که می‌توان آن را با انواع مولکول‌های سودمند پوشاند.

رشته‌های کاربردی

پژوهشگران در دو آزمایش جداگانه توانستند قدرت این فناوری جدید را نشان دهند. ابتدا رشته‌های تار عنکبوت را با آنزیمی به نام «سیلیکاتین»(Silicatein) پوشاندند. این آنزیم توسط اسفنج‌های دریایی برای تبدیل کردن اسید سیلیسیک به سیلیس استفاده می‌شود و ساختاری شیشه‌مانند است که اسفنج‌ها آن را در بدن خود استفاده می‌کنند.

نتیجه این کار، تولید یک هیبرید آلی-معدنی از پروتئین‌های تار عنکبوت بود که در پوششی از سیلیس شیشه‌مانند قرار داشت. این کار نه تنها ثابت کرد که پژوهشگران می‌توانند پروتئین‌های تار عنکبوت را اصلاح کنند، بلکه به گفته سان، شاید بتوانند این پروتئین را به فیبر نوری تبدیل کنند.

پژوهشگران برای نشان دادن پتانسیل پروتئین‌های تار عنکبوت در مصارف زیست‌پزشکی، پروتئین‌های تار عنکبوت را با مولکول‌هایی به نام «لیگاندهای متصل‌شونده به سلول» پوشش دادند. این مولکول‌ها همان طور که از نام آنها پیداست، به سطح سلول‌ها متصل می‌شوند و می‌توان از آنها برای اهداف گوناگونی در بدن مانند بهبود زخم و رشد بافت استفاده کرد.

پروتئین‌های تار عنکبوت که با یکی از دو لیگاند پوشش داده شده بودند، به عنوان بستری برای کشت سلولی مورد استفاده قرار گرفتند. تارهای پوشش‌داده‌شده با لیگاند پس از ۱۰ روز رشد، با سلول‌های بیشتری نسبت به تارهای بدون پوشش پوشانده شدند. سلول‌های روی ابریشم‌های پوشش‌داده‌شده با لیگاند، به شکل بلندتری رشد کردند. این شبیه به نحوه رشد و عملکرد سلول‌های واقعی در بافت‌هایی مانند سیستم عروقی بود که نشان می‌دهد این چارچوب‌ها را می‌توان برای بهبود زخم یا رشد مجدد بافت‌ها به کار برد.

قابلیت‌های بی‌پایان

به گفته سان، این یک اثبات امیدوارکننده برای مفهوم مورد نظر است. پروتئین‌های تار عنکبوت به دلیل قدرت، اندازه کوچک و توانایی مقاومت کردن در برابر تخریب توسط آنزیم‌ها و پروتئین‌های بدن، گزینه مطلوبی هستند. علاوه بر این، چندین پژوهش ادعا کرده‌اند که تارهای عنکبوت، سیستم ایمنی را تحریک نمی‌کنند.

سان معتقد است که اکنون با داشتن روشی برای تولید بهینه تارهای عنکبوت و تبدیل کردن آنها به چارچوب‌های قابل تنظیم، کاربردهای بالقوه تنها محدود به انواع مولکول‌هایی است که می‌توانند به تارها متصل شوند. سان گفت: خوشبختانه، هوش مصنوعی پیشرفته نیز برای این کار در دسترس است.

برنامه‌های هوش مصنوعی قوی مانند «آلفافولد»(AlphaFold) که نحوه تا شدن، عملکرد و اتصال مولکول‌ها و پروتئین‌ها را پیش‌بینی می‌کنند، به سان امکان می‌دهند تا نحوه عملکرد پروتئین تار عنکبوت و بهترین نحوه قرار دادن آن را نشان دهد. بدین ترتیب، پژوهشگران به جای حدس زدن و انجام دادن آزمایش‌ها برای این که ببینند آیا این روش کارآیی دارد یا خیر، می‌توانند در مورد نتیجه فکر کنند و ببینند کدام پروتئین‌ها ممکن است برای هر سناریو کارآیی داشته باشند.

سان و همکارانش اکنون در حال بررسی کردن کاربردهای خاصی برای پروتئین‌های عملکردی تار عنکبوت هستند؛ مانند یک پلتفرم برای رشد مجدد نورون‌ها یا رشد ارگانوئیدها. به نظر سان، این پیشرفت‌ها به خاطر توانایی نگاه کردن به طبیعت برای الهام گرفتن و یافتن راه‌حل است. وی افزود: پژوهشگران می‌خواهند از سیستم‌های بیولوژیکی برای تولید کردن موادی استفاده کنند که قابل مقایسه با کار اجداد ما یا حتی فراتر از کاری است که آنها برای ۱۰۰۰ سال انجام می‌داده‌اند.

این پژوهش در مجله «Advanced Functional Materials» به چاپ رسید.